Полосковые линии передачи. Устройства СВЧ на основе полосковых линий передачи. Практикум
.pdf
|
|
|
|
1 |
|
|
N +1 |
|
|
Z |
|
= |
|
|
|
|
Zi |
||
|
|
i =2 |
||
|
−1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
.
(4.17)
Согласование входного и выходного плеч осуществляется при помощи четвертьволнового трансформатора, сопротивление которого может быть определено по формуле
Z |
т |
= |
Z |
Z |
|
|
|
1 |
|
.
(4.18)
Топология делителя мощности в виде многолучевой звезды, содержащего три выходных плеча и обеспечивающего равномерное распределение мощности между выходными плечами, приведена на рисунке
4.4.
Рисунок 4.4 – Топология делителя мощности в виде многолучевой звезды, обеспечивающего равномерное распределение мощности между выходными плечами
Равномерному распределению мощности между выходными плечами соответствуют следующие соотношения между волновыми сопротивлениями выходных плеч:
Z2 = Z3 = Z4 =... = ZN
тогда выражение (4.18) примет вид
=
ZN
+1
,
(4.19)
|
|
|
|
|
|
ZT = |
Z1 Z2 |
. |
(4.20) |
||
|
|||||
|
|
N |
|
||
Если при этом волновые сопротивления входного и выходного плеч |
|||||
равны |
|
|
|
|
|
Z1 = Z2 = Z3 = Z4 =... = ZN = ZN +1, |
(4.21) |
||||
то
71
ZT
|
Z |
|
= |
1 |
|
N |
||
|
.
(4.22)
Так как в общем случае волновые сопротивления отрезков линий передачи, входящих с состав делителя мощности в виде многолучевой звезды, могут отличаться от волновых сопротивлений, соединяемых с ним линий передачи, то для согласования данного делителя мощности на его входе и выходах могут быть включены четвертьволновые трансформаторы сопротивления.
В основном достоинства и недостатки данного делителя мощности совпадают с достоинствами и недостатками делителя мощности на основе гладких переходов. Различие состоит только в том, что в делителе мощности в виде многолучевой звезды уменьшается полоса рабочих частот за счёт наличия четвертьволнового трансформатора сопротивления, но при этом исходя из конструкции и принципа действия, в данном делителе осуществляется синфазное распределение мощности между выходными плечами.
4.3 Кольцевой делитель мощности
В отличие от делителей мощности на основе гладких переходов и в виде многолучевой звезды кольцевой делитель мощности может иметь только два выходных плеча. Топология данного делителя, обеспечивающего равномерное распределение мощности между выходными плечами, приведена на рисунке 4.5. На данном рисунке длины отрезков линий передачи, образующие делитель мощности, «1 – 2» и «1 – 3» составляют /4.
Рисунок 4.5 – Топология кольцевого делителя мощности, обеспечивающего равномерное распределение мощности между выходными плечами
Рассмотрим его работу. Пусть СВЧ сигнал поступает в первое плечо. Данный сигнал разделяется на две составляющих, одна из которых распространяется по отрезку линии передачи, соединяющему первое плечо со вторым, вторая по отрезку линии передачи, соединяющему первое плечо с третьим. Вследствие симметрии схемы фазы сигналов и их мощности в точках
72
подключения резистора оказываются равны, то есть резистор в этом случае подключен к эквипотенциальным точкам, следовательно, ток через него не протекает, мощность в нём не выделяется, и вся мощность сигнала, поступающего в первое плечо, делится поровну между вторым и третьим плечами.
Пусть СВЧ сигнал поступает во второе плечо. В этом случае сигнал также разделяется на две составляющих, распространяющихся в противоположных направлениях. Так как отрезки линий передачи «1 – 2» и «1 – 3» и балластный резистор образуют замкнутый контур, то обе составляющих достигают каждого из плеч делителя мощности.
В первое плечо сигнал может непосредственно прийти из второго плеча, проходя путь /4 и приобретая фазовый сдвиг /2, или через балластный резистор и третье плечо. Так как резистор является элементом с сосредоточенными параметрами, то есть его геометрические размеры пренебрежимо малы по сравнению с рабочей длиной волны, следовательно, он не приводит к появлению дополнительного фазового сдвига, поэтому составляющая сигнала, распространяющаяся через балластный резистор, также проходит путь /4 и приобретает фазовый сдвиг /2. Таким образом, в первом плече сигналы складываются в фазе, усиливая друг друга. Но так как балластный резистор вносит дополнительные потери в сигнал, распространяющийся через него, то можно считать, что мощность сигнала в первом плече определяется преимущественно составляющей, пришедшей непосредственно из второго плеча.
В третье плечо сигнал может непосредственно прийти из второго плеча через балластный резистор, не приобретая дополнительного фазового сдвига, или через первое плечо, проходя путь /4+ /4, то есть /2, и приобретая фазовый сдвиг . Таким образом, в третьем плече сигналы складываются в протвофазе, ослабляя друг друга. Подбирая величину балластного резистора, можно обеспечить одинаковую мощность сигналов, пришедших в третье плечо, а, следовательно, их взаимную компенсацию.
Аналогичные рассуждения имеют место, если СВЧ сигнал поступает в третье плечо.
Для кольцевого делителя мощности, обеспечивающего равномерное распределение мощности между выходными плечами, условия получения идеального согласования плеч с подводящими линиями и бесконечной развязки выходных плеч имеют вид:
Z2 = Z3 = Zв
R |
= 2 Z |
в |
б |
|
2 ;
,
(4.23)
(4.24)
где Z2, Z3 – волновые сопротивления отрезков линий передачи, образующих кольцевой делитель мощности;
Zв – волновое сопротивление подводящих линий передачи;
73
Rб – сопротивление балластного резистора.
В общем случае кольцевой делитель мощности может обеспечивать неравномерное распределение мощности между выходными плечами, для согласования данного делителя мощности на его входе и выходах устанавливаются трансформаторы сопротивления, в качестве которых, как правило, выбираются четвертьволновые трансформаторы сопротивления. Топология такого кольцевого делителя мощности приведена на рисунке 4.6.
Условия получения идеального согласования плеч с подводящими линиями и бесконечной развязки выходных плеч для данного делителя мощности имеют вид:
Z |
|
= Z |
|
4 |
|
|
n |
|
|
|
|
|
; |
|
||||
т1 |
в |
|
1 + n |
2 |
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Z2 = Zв |
|
4 |
n |
3 |
(1+ n |
2 |
) |
|||||||||||
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Z3 = Zв 4 |
1 + n2 |
|
|
|
; |
|
||||||||||||
|
n5 |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Zт2 |
= Zв |
|
|
n ; |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
Zт3 |
= |
Zв |
; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 + n |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Rб = Zв |
|
|
, |
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
;
(4.25)
(4.26)
(4.27)
(4.28)
(4.29)
(4.30)
где Zт1 |
– |
волновое сопротивление четвертьволнового трансформатора, |
|||||
|
|
установленного во входном плече; |
|
||||
Zт2, Zт3 |
|
волновые сопротивления четвертьволновых трансформаторов, |
|||||
|
|
установленных в выходных плечах; |
|
||||
Z2, Z3 |
– волновые |
сопротивления |
отрезков линий передачи, образующих |
||||
|
|
кольцевой делитель мощности; |
|
||||
Zв |
– |
волновое сопротивление подводящих линий передачи; |
|||||
Rб |
– |
сопротивление балластного резистора; |
|
||||
n |
– отношение |
мощностей в |
|
выходных |
плечах, определяемое по |
||
|
|
формуле |
|
|
|
|
|
|
|
|
n = |
P3 |
|
. |
(4.31) |
|
|
|
P2 |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
74 |
|
|
Рисунок 4.6 – Топология кольцевого делителя мощности, обеспечивающего неравномерное распределение мощности между выходными плечами
Достоинствами кольцевого делителя мощности являются:
–простота конструкции;
–развязка выходных плеч;
–синфазное распределение мощности между выходными плечами;
–взаимность, то есть возможность использования данного устройства для деления и суммирования мощности в зависимости от направления подачи сигналов.
При этом стоит отметить, что при поступлении во второе и третье плечо синфазных сигналов, балластный резистор оказывается подключен к эквипотенциальным точкам, следовательно, мощность в нём не выделяется, и вся мощность сигналов, без потерь поступает в первое плечо. При поступлении во второе и третье плечо противофазных сигналов, значительная часть мощность этих сигналов рассеивается в балластном резисторе, оставшаяся часть этих сигналов складывается в противофазе в первом плече, следовательно, сигналы на его выход не поступают. Таким образом, кольцевой делитель мощности может осуществлять сложение только синфазных сигналов.
Недостатками кольцевого делителя мощности являются:
75
– большая площадь, занимая на поверхности подложки, при проектировании устройств дециметрового поддиапазона и длинноволновой части сантиметрового поддиапазона (для частот данных диапазонов характерна относительно большая длина волны );
– относительно не широкая полоса рабочих частот, так как геометрические размеры отрезков линий передачи данного направленного ответвителя жёстко привязана к рабочей длине волны ;
– сложность реализации деления мощности между выходными плечами, характеризующегося существенной неравномерностью, так как при таком делении волновые сопротивления отрезков линий передачи должны существенно различаться, а, следовательно, должна существенно различаться ширина этих полосковых линий передачи, что может быть связано со значительными технологическими сложностями.
Для уменьшения габаритов кольцевого делителя мощности отрезки линии передачи между плечами выполняют в виде меандров. Топология кольцевого делителя мощности, обеспечивающего равномерное распределение мощности между выходными плечами, в этом случае принимает вид, приведённый на рисунке 4.7.
Рисунок 4.7 – Топология кольцевого делителя мощности, обеспечивающего равномерное распределение мощности между выходными плечами с отрезками линий передачи в виде меандров
Кроме рассмотренных типов делителей мощности в качестве делителей могут применяться направленные ответвители, у которых к плечу, развязанному с входным, подключается согласованная нагрузка.
4.4 Практическое задание №5. Расчёт кольцевого делителя мощности
4.4.1 Цель работы
Рассчитать кольцевой делитель мощности и составить его топологию.
76
4.4.2 Подготовка к работе
4.4.2.1 Изучить по рекомендуемой литературе следующие вопросы
курса:
–Классификация делителей мощности.
–Основные параметры делителей мощности.
–Конструкция и принцип действия делителя мощности на гладких переходах.
–Достоинства и недостатки делителя мощности на гладких переходах.
–Конструкция и принцип действия делителя мощности в виде многолучевой звезды.
–Достоинства и недостатки делителя мощности в виде многолучевой
звезды.
–Конструкция и принцип действия кольцевого делителя мощности.
–Достоинства и недостатки кольцевого делителя мощности.
–Области применения делителей мощности.
4.4.2.2 Ответить на следующие контрольные вопросы:
1.Что такое делитель мощности?
2.Приведите классификацию делителей мощности по принципу действия.
3.Приведите классификацию делителей мощности по величине коэффициента деления.
4.Приведите и поясните основные параметры делителей мощности.
5.Приведите конструкцию и поясните принцип действия делителя мощности на гладких переходах.
6.Перечислите достоинства и недостатки делителя мощности на гладких переходах.
7.Приведите конструкцию и поясните принцип действия делителя мощности
ввиде многолучевой звезды.
8.Перечислите достоинства и недостатки делителя мощности в виде многолучевой звезды.
9.Приведите конструкцию и поясните принцип действия кольцевого делителя мощности.
10.Перечислите достоинства и недостатки кольцевого делителя мощности.
11.Перечислите области применения делителей мощности.
4.4.2.3 Рекомендуемая литература
1.Фальковский О. И. Техническая электродинамика. Учебник. 2-е изд., стер. – СПб.: Издательство «Лань», 2009. – 432 с.
2.Пименов Ю. В, Вольман В. И, Муравцов А. Д. Техническая электродинамика. Учебное пособие для вузов. Под ред. Пименова Ю. В. – М.: Радио и связь, 2000. – 536 с.
77
3. Твёрдотельные устройства СВЧ в технике связи. / Гассанов Л. Г., Липатов А. А., Марков В. В., Могильченко Н. А. – М.: Радио и связь, 1988. – 288 с.
4. Микроэлектронные устройства СВЧ. Учебное пособие для вузов / Веселов Г. И., Егоров Е. Н., Алёхин Ю. Н., и др. Под ред. Веселова Г. И. – М.: Высшая школа, 1988. – 280 с.
5. Малорацкий Л. Г., Явич Л. Р. Проектирование и расчёт СВЧ элементов на полосковых линиях. – М.: Советское радио. 1972. – 232 с.
4.4.3 Задание
4.4.3.1Для заданного волнового сопротивления подводящей линии Zв, отношения мощностей в выходных плечах P3/P2, рабочей частоты f, материала подложки и типа полосковой линии передачи определить:
– волновые сопротивления Z2 и Z3 и длины L2 и L3 отрезков полосковых линий передачи, образующих кольцевой делитель мощности;
– волновые сопротивления Z1, Z4 и Z5 и длины L1, L4 и L5 входного и выходных ступенчатых трансформаторов сопротивления;
– сопротивление балластного резистора Rб.
Исходные данные приведены в таблице 4.1, результаты расчёта занести
втаблицу 4.2.
4.4.3.2По полученным значениям волновых сопротивлений определить ширину отрезков линий передачи. Результаты расчёта занести в таблицу 4.2.
При расчётах принять, что толщина подложки несимметричной полосковой линии передачи
h=0,5 мм,
расстояние между заземлёнными основаниями симметричной полосковой линии передачи
b=1 мм,
толщина проводника полосковой линии передачи
t=1 мкм.
4.4.3.3 Составить топологии кольцевого делителя мощности.
78
Таблица 4.1 – Варианты исходных данных для практического задания №5
№ |
Zв, Ом |
|
|
P3/P2 |
|
f, ГГц |
|
|
Материал |
|
|
Тип полосковой |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
ЛП |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
1 |
45 |
|
|
|
1,5 |
|
|
16 |
|
|
|
сапфир |
9,9 |
|
симметричная |
||||||
2 |
50 |
|
|
|
2 |
|
|
14 |
|
|
поликор |
9,6 |
|
несимметричная |
|||||||
|
|
|
|
|
|
(99,8 % Al2O3) |
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
3 |
55 |
|
|
|
2,5 |
|
|
12 |
|
|
|
A-995 |
9,65 |
|
симметричная |
||||||
|
|
|
|
|
|
(99,8 % Al2O3) |
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
4 |
60 |
|
|
|
3 |
|
|
10 |
|
|
|
ГМ |
9,8 |
|
несимметричная |
||||||
|
|
|
|
|
|
(99,6 % Al2O3) |
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
5 |
65 |
|
|
|
3,5 |
|
|
8 |
|
|
сапфирит |
9,45 |
|
симметричная |
|||||||
|
|
|
|
|
|
(98 % Al2O3) |
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
6 |
70 |
|
|
|
4 |
|
|
6 |
|
|
|
22ХС |
9,35 |
|
несимметричная |
||||||
|
|
|
|
|
|
(94,4 % Al2O3) |
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
7 |
75 |
|
|
|
4,5 |
|
|
4 |
|
|
брокерит-9 |
6,8 |
|
симметричная |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
(97% BeO) |
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
8 |
75 |
|
|
|
5 |
|
|
2 |
|
|
|
кварц |
3,78 |
|
несимметричная |
||||||
9 |
45 |
|
|
|
5,5 |
|
|
3 |
|
ситалл КП-10 |
10 |
|
симметричная |
||||||||
10 |
50 |
|
|
|
6 |
|
|
5 |
|
ситалл КП-15 |
15 |
|
несимметричная |
||||||||
11 |
55 |
|
|
|
6,5 |
|
|
7 |
|
ситалл СТ-38-1 |
7,25 |
|
симметричная |
||||||||
12 |
60 |
|
|
|
7 |
|
|
9 |
|
ситалл СТ-32-1 |
10 |
|
несимметричная |
||||||||
13 |
65 |
|
|
|
7,5 |
|
|
11 |
|
кремний (Si) |
11,7 |
|
симметричная |
||||||||
14 |
70 |
|
|
|
8 |
|
|
13 |
|
|
арсенид |
13,3 |
|
несимметричная |
|||||||
|
|
|
|
|
|
галлия (GaAs) |
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
15 |
75 |
|
|
|
8,5 |
|
|
15 |
|
|
флан-2-16 |
8,92 |
|
симметричная |
|||||||
Таблица 4.2 – Результаты расчёта кольцевого делителя мощности |
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
Подво- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Транс- |
Транс- |
Транс- |
|
Балласт- |
|||||
|
|
|
Линия |
|
Линия |
|
форма- |
|
форма- |
форма- |
|
||||||||||
|
|
дящая |
|
|
|
|
|
|
ный |
||||||||||||
|
|
|
|
«1 – 2» |
|
«1 – 3» |
|
тор |
|
тор |
|
тор |
|
||||||||
|
|
линия |
|
|
|
|
|
|
|
резис- |
|||||||||||
|
|
|
|
|
Z2 |
|
Z3 |
|
|
плеча 1 |
|
плеча 2 |
плеча 3 |
|
|||||||
|
|
|
Zв |
|
|
|
|
|
|
|
|
тор Rб |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Z1 |
|
Z4 |
|
Z5 |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
L, мм |
|
– |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
– |
|
– |
||
Z, Ом |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
W, мм |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
– |
|
79
Приложение А
Волновые матрицы
Рассмотрим волновые матрицы и связь между элементами этих матриц на примере волновых матриц четырёхполюсника.
Пусть имеется неоднородность, введённая в однородную линию передачи, работающую в одноволновом режиме, в сечениях которой, расположенных на достаточно большом расстоянии от данной неоднородности, структура поля как отражённой, так и прошедшей волны практически не отличается от структуры низшего типа волны для этой линии передачи. Данную неоднородность можно представить в виде некоторого четырёхнолюсника, который создаёт в этой линии точно такие же отражённую и прошедшую волны, что и неоднородность. Зажимы 1-1’ и 2-2’ четырёхполюсника расположены в сечениях, в которых амплитуда высших типов волн пренебрежимо мала. Данный четырёхполюсник приведён на рисунке А.1.
Рисунок А.1 – Представление неоднородности в виде четырёхполюсника
В общем случае падающая и отражённая волны могут существовать на входе и выходе четырёхполюсника. Причём все волны, бегущие к четырёхполюснику, считаются падающими, на рисунке А.1 им соответствуют волны:
–E1 пад – волна, поступающая во входную линию четырёхполюсника;
–E2 пад – волна, создаваемая нагрузкой, подключенной к выходной линии четырёхполюсника;
авсе волны, бегущие от четырёхполюсника, считаются отражёнными, на рисунке А.1 им соответствуют волны:
–E1 отр – волна, возникающая за счёт частичного отражения от входа четырёхполюсника волны E1 пад и частичного прохождения через него волны
E2 пад;
– E2 отр – волна, возникающая за счёт частичного прохождения через него волны E1 пад и частичного отражения от выхода четырёхполюсника волны
E2 пад.
80